Trong 40 năm qua, các điều khoản thiết kế ở Hoa Kỳ cho tải trọng tuyết trôi trên mái nhà đã tính đến tuyết ban đầu rơi trên một phần của mái nhà và được gió vận chuyển vào một lớp tuyết trên đỉnh một phần khác của mái nhà. Cụ thể, đối với một mái trôi hướng gió ở một bậc thang, ngược gió lấy lu Tham khảo khu vực nguồn tuyết trên mái nhà. Tương tự đối với một cú trôi theo hướng gió ở bậc mái, lu giải quyết mái nhà ở tầng thấp hơn, nơi tuyết ban đầu rơi và cuối cùng kết thúc trong trôi dạt. Cuối cùng, đối với mái đầu hồi có đường sườn núi đông-tây, sườn núi trôi qua (hay còn gọi là tải trọng không cân bằng) trên đỉnh phần phía bắc của mái, lu là phần phía nam của mái nhà. Lưu ý trong tất cả các trường hợp này, tuyết ban đầu rơi xuống đất không được coi là nguồn tuyết dự kiến cho tuyết trôi trên mái nhà.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, tuyết ban đầu rơi xuống đất có thể góp phần hình thành tuyết trôi trên mái. Trong một trường hợp thực tế, tòa nhà là một cấu trúc ngăn chặn lợn ở Trung Tây với mái hiên tương đối gần với mặt đất. Mái đầu hồi lớn hơn những gì người ta mong đợi đối với lu lấy ngược gió của mái nhà.
Trường hợp thứ hai liên quan đến một tòa nhà trường học ở khu vực Buffalo đã trải qua trận bão tuyết năm 1977. Theo Wikipedia, tổng lượng tuyết rơi là hơn 8 feet ở một số nơi, trong khi tốc độ gió cao nhất hàng ngày nằm trong khoảng 45 đến 70 dặm / giờ. Như đã phác thảo trong Hình 1, Mái A và C là một phần của trường trong khi Mái B (được cho là không gian phòng tập thể dục) có độ cao cao hơn. Một “đoạn đường dốc tuyết” trôi theo hướng gió nằm trên mặt đất ngược gió của Mái nhà A (nguồn tuyết là tuyết ban đầu rơi xuống đất). Tương tự, một đoạn đường dốc tuyết hướng gió nằm trên đỉnh Mái A, ngay ngược gió của bức tường bên ngoài giữa Mái A và B (nguồn tuyết là tuyết ban đầu rơi xuống đất hoặc rơi trên Mái A). Cuối cùng, một luồng gió lớn nằm trên đỉnh Mái C (nguồn tuyết là tuyết ban đầu rơi xuống mặt đất, Mái A hoặc Mái B).
Cơ chế chuyển tuyết từ mặt đất sang mái như vậy là một sự trôi theo hướng gió hình thành tại bức tường ngược gió của tòa nhà. Khi tuyết trôi trên mặt đất này trở nên đủ lớn, nó sẽ cung cấp một “đường dốc tuyết” cho các hạt tuyết trên mặt đất bị gió thổi lên đỉnh nóc tòa nhà.
Quá trình hình thành trôi dạt đối với trôi dạt theo hướng gió phức tạp hơn so với quá trình trôi dạt theo hướng gió. Trôi dạt gió có hình tam giác bên phải trong suốt quá trình hình thành trôi dạt. Ban đầu độ dốc là khoảng 1:4, được cho là góc nghỉ ngơi trung bình của tuyết trôi (tức là 14°). Khi đỉnh của dòng gió tiếp cận mái nhà ở tầng trên, sườn dốc phẳng ra cho đến khi nó đạt đến độ cao khoảng 1:8. Tại thời điểm này, độ trôi trở nên hợp lý về mặt khí động học (loại bỏ vùng bóng râm khí động học) và sự phát triển của độ trôi hướng gió dừng lại. Hiệu quả bẫy đối với các con tuyết trôi theo hướng gió trong quá trình hình thành trôi dạt là khoảng 50%, tức là khoảng một nửa số tuyết bị thổi ra khỏi mái trên kết thúc trong lớp tuyết trôi dạt trên đỉnh mái tầng dưới.
Hình dạng ban đầu của một chiếc trôi theo hướng gió là một tam giác nhọn, không phải một tam giác vuông. Vì vậy, không giống như trôi dạt theo hướng gió, điểm cao nhất của phụ phí trôi dạt theo hướng gió ban đầu không phải ở bức tường. Khi độ trôi theo hướng gió nhỏ so với chiều cao tường so với mặt đất tuyết, (xem Hình 2) hiệu quả bẫy về phía trung tâm của bức tường (tức là cách xa các góc) trên danh nghĩa là 100%. Có nghĩa là, trong giai đoạn đầu này, tất cả tuyết bị gió thổi dừng lại ngược gió của tường tòa nhà và góp phần tạo ra sự hình thành trôi dạt, trái ngược với việc chảy lên mái nhà.
Khi trôi theo chiều gió có được hình dạng như trong Hình 2, đường dốc tuyết đủ lớn để một số hạt tuyết trên mặt đất được vận chuyển bằng gió đến mái tòa nhà và hiệu quả bẫy ở bề mặt đất trôi theo gió giảm xuống dưới 100%.
Sử dụng các quan hệ trong ASCE 7-22, chiều cao dự kiến của hiệu quả bẫy 50% trôi dạt theo chiều gió, hdLà
trong đó Pg là tải trọng tuyết mặt đất thiết kế (pound trên foot vuông – psf), lu là lấy ngược gió của mái tầng trên (ft). W2 là thông số gió mùa đông (tức là phần trăm thời gian tốc độ gió trên 10 dặm / giờ trong tháng 10 đến tháng 4) như được đưa ra trong bản đồ ASCE 7-22 và γ là mật độ tuyết (pound trên foot khối). Phương trình 1 dựa trên các trận tuyết mô phỏng với khoảng cách lấy ngược gió từ 1.000 feet trở xuống. Vì chiều rộng của gió được coi là 4hd, diện tích mặt cắt ngang tương ứng của trôi dạt bẫy 50% gió Ad Là
Diện tích mặt cắt ngang của tuyết trôi trên mặt đất theo gió trong Hình 2, AwLà
Tuy nhiên, do sự khác biệt về hiệu quả bẫy (100% đối với hướng gió, 50% đối với hướng gió), hướng gió trôi Aw diện tích mặt cắt ngang gấp đôi diện tích trôi gió hoặc
Do đó, tuyết trên mặt đất ngược gió lấy lu* tương ứng với gió vận chuyển các hạt tuyết trên mặt đất bắt đầu chảy lên đường dốc tuyết và lên mái nhà là
Bảng 1 trình bày lu* đối với khoảng cách bề mặt đất đến mái hiên, h, 6, 8 và 10 feet cho các giá trị khác nhau của thông số Gió mùa đông W2 và Pg = 10 psf. Sử dụng quan hệ ASCE 7 cho mật độ tuyết, γ = 0,13 Pg + 14, độ sâu tuyết mặt đất cho Pg = 10 psf là hg = 0.65 feet và các giá trị ho tương ứng trong Bảng 1 là 5.35 (ho = h – hg = 6 – 0.65), lần lượt là 7.35 và 9.35 feet. Như người ta mong đợi, sự chuyển đổi trên mặt đất ngược gió lấy tuyết lu* là hàm tăng của chiều cao mái hiên, h và hàm giảm của Thông số gió mùa đông W2.
Lưu ý rằng đối với Pg = 10 psf, nếu chiều cao mái hiên từ 8 feet trở lên, tuyết trên mặt đất chuyển tiếp ngược gió sẽ lấy lu* sẽ cần lớn hơn một sân bóng đá (khoảng 360 feet) để tuyết mặt đất do gió thổi đến mái tòa nhà.
Bảng 2 và 3 trình bày cùng một lu* thông tin cho Pg = 30 psf, (hg = 1.68 ft và h tương ứngo các giá trị 4.32, 6.32, 8.32 và 10.32 feet) và đối với Pg = 50 psf (hg = 2.43 ft và h tương ứngo các giá trị của 3.57, 5.57, 7.57 và 9.57 feet).
Đối với một vị trí có Thông số gió mùa đông điển hình hoặc trung bình là 0,45, Pg = 30 psf, và một trận tuyết trên mặt đất theo chiều gió của một sân bóng đá (khoảng 360 feet), người ta không mong đợi tuyết trên mặt đất đạt đến mức mái nhà và góp phần làm trôi trên mái nhà nếu chiều cao mái hiên là 10 feet (580 feet > 360 feet). Đối với cùng một W2 giá trị và lấy tuyết trên mặt đất, nếu Pg = 50 psf, người ta không mong đợi tuyết trên mặt đất góp phần làm trôi trên mái nhà nếu chiều cao mái hiên là 12 feet (610 feet > 360 feet).
Lấy tuyết trên mặt đất
Bên cạnh chiều cao mái hiên, tải trọng tuyết trên mặt đất và Thông số gió mùa đông, thông số quan trọng đối với tuyết mặt đất góp phần vào sự trôi dạt của mái nhà là khoảng cách lấy tải trọng tuyết trên mặt đất. Trong khi việc xác định việc lấy mái nhà là thẳng về phía trước, thì khoảng cách lấy tuyết trên mặt đất phức tạp hơn. Tabler (1994) đã viết “Đầu ngược gió của việc lấy là bất kỳ ranh giới nào mà không có vận chuyển tuyết, chẳng hạn như rìa rừng, rãnh sâu hoặc kênh suối, hàng cây và bờ biển của các vùng nước không đóng băng.” Bàn chải cao cũng có thể được thêm vào danh sách này. Đối với một số địa điểm (các tòa nhà có chiều cao mái hiên ngắn gần hồ đóng băng), việc lấy tuyết trên mặt đất ngược gió có thể được đo bằng dặm trái ngược với việc lấy tuyết trên mái tòa nhà thường nhỏ hơn một nghìn feet. Trên thực tế, như đã lưu ý ở trên, khoảng cách lớn nhất của mái nhà được xem xét trong việc xác định Phương trình 1 là 1.000 feet. Đối với khoảng cách lấy tuyết trên mặt đất rất lớn, sự bốc hơi của tuyết mặt đất khi nó đang được vận chuyển sẽ phát huy tác dụng, điều này không được xem xét trong quá trình phát triển của Phương trình 1.
Mái trôi do tuyết trên mặt đất
Nếu việc lấy tuyết trên mặt đất dự kiến từ đoạn trước, lg, lớn hơn lần lấy tuyết trên mặt đất chuyển tiếp lu* Trong Bảng 1 đến Bảng 3, một số vận chuyển tuyết trên mặt đất sẽ thêm một lượng Ad* vào diện tích mặt cắt ngang trôi dạt “bình thường” do gió vận chuyển tuyết ban đầu rơi trên đỉnh mái. Số tiền bổ sung được đưa ra bởi
Tùy thuộc vào độ lớn của mặt đất, l.gMộtd* có thể khá lớn. Trong những trường hợp như vậy, kích thước của tuyết trôi trên mái nhà sẽ không lớn hơn độ trôi “tối đa” được sắp xếp hợp lý về khí động học tương ứng. Đối với bậc thang mái gió hoặc hướng gió, độ lệch tối đa sẽ là một tam giác vuông với chiều cao hc và phạm vi ngang 8 giờc trong đó hc là không gian có sẵn để tích lũy bậc thang mái (khoảng cách độ cao bậc mái trừ đi độ sâu tuyết cân bằng). Đối với hình học mái đầu hồi, độ trôi “tối đa” được phác thảo trong Hình 3. Đỉnh của đường trôi gần đường sườn núi trên danh nghĩa là bằng phẳng, trong khi gần mái hiên, độ dốc trôi dạt có thể được coi là 30 °, đây là góc nghỉ ngơi tối đa giả định đối với tuyết trôi.
Kết luận
Hiện tại, các điều khoản trôi tuyết trên mái nhà không hình dung tuyết trên mặt đất thổi lên và lên mái nhà. Tuy nhiên, có một số trường hợp nhất định, chiều cao mái hiên thấp và gió mạnh, trong đó tuyết ban đầu rơi xuống đất góp phần tạo ra tuyết trôi trên mái nhà. Bài viết này đã cung cấp các quy trình ước tính kích thước của các mái trôi như vậy. ■
Giới thiệu về các tác giả
Michael O’Rourke là Giáo sư danh dự về Kỹ thuật Xây dựng tại Rensselaer. Ông từng là chủ tịch tiểu ban ASCE 7 Snow and Rain Load từ năm 1997 đến năm 2017.
John F. Duntemann, PE, SE là Hiệu trưởng cấp cao tại Wiss, Janney, Elstner Associates ở Northbrook, Illinois. Ông hiện là Chủ tịch Tiểu ban Tuyết và Mưa ASCE 7 và là thành viên của Viện Kỹ thuật Kết cấu (SEI).
John Cocca, PE, là Phó Hiệu trưởng tại Wiss, Janney, Elstner Associates ở New Haven, CT. Ông là Phó Chủ tịch Tiểu ban Tuyết và Mưa ASCE 7 và là thành viên của Viện Kỹ thuật Kết cấu (SEI).
Tham khảo
Tabler, R. 1994, “Hướng dẫn thiết kế để kiểm soát tuyết thổi và trôi”, Rep. SHRP-H-381 Washington, DC, Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia.
